 |
Механические свойства материалов (товаров)
|
|
|
|
Механические свойства - они в большей степени определяют эксплуатационные свойства, конструкционный комплекс материала. Группы механических свойств:
Прочностные свойства, Твердость, Пластичность
Прочностные свойства - Прочность – способность материала противодействовать возникновению в нем деформаций, возникающих при воздействии внешних или внутренних сил. Основа противодействия заключается в структуре вещества, во связях между атомами и молекулами. В зависимости от вида действующих сил существует стандартный перечень сертифицируемых, прилагаемых к любому материалу характеристик показателей прочности Классический перечень: статистические: прочность на сжатие, прочность на растяжение, прочность на изгиб, прочность на срез, прочность на кручение; динамические: ударная прочность, циклическая прочность. Принятое международным стандартом обозначение:
d =P/F0 Па, МПа (кг/мм2) Па=Н/м2 Мпа= Н*106/м2
d - растяжение
Кр -кручение, И –изгиб, Ср – срез
Статистическими называются силы, величина которых медленно изменяется во времени или действует постоянно. Динамические характеристики изменение в материалах происходит под воздействием быстро изменяющихся значений усилия, деформируемого материала. Практика товароведения оперирует предельно допустимыми значениями напряжения в материале после превышения, которых происходят необратимые изменения. Динамические виды прочности: ударная прочность – оценивается параметром силы удара. Значения ударной прочности всегда ниже, чем значения статистической прочности. Циклическая прочность - оценивает способность материала сопротивляться разрушению и деформации при многократных знакопеременных нагрузках, так называемая усталостная прочность. Для большинства металлоизделий предельная усталостная прочность измеряется 105-106 циклов.
|
|
|
Твердость – характеризует способность материала противостоять деформации при проникновении в поверхность материала более твердых тел. Твердость является характеристикой дифференцированной и характеризует в основном только конкретную поверхность или ее часть. Является сертифицируемой характеристикой почти всех конструкционных материалов. Проникающие в испытуемую поверхность изделия называются инденторами. Материалы, формы и размеры инденторов выбираются в зависимости от испытуемого образца: алмазы, закаленная сталь и др.
Формы инденторов: пирамида, шарообразная, заостренные наконечники. Способ воздействия на материал зависит от использования метода. Мировые стандарты используют Н –твердость. В зависимости от метода Нr-Роквела, Нb – Бринель, Hsh – Шор. Каждая характеристика из любого метода может быть переведена в характеристику другого метода.
Методы испытания твердости: Статические, Динамические.
Существует еще один уникальный метод определения твердости хрупких материалов (драгоценных камней, стекла, пластика). Этот метод основан на царапании. В основе лежит использование 10-ти стандартных образцов твердости, представляющих собой остро заточенные инденторы. Результатом определения твердости является отсутствие следа на материале при последовательном нанесении царапин различными инденторами. Шкала твердости по Маосу (единственный): - (Минимальная твердость) тальк – гипс - кальцит – флюорит - апатит - ортоклаз – кварц – топаз – корунд – предельная твердость – алмаз
В нашей стране наиболее частыми средствами определения меры твердости являются методы пресса Роквилля и Бринелля. Ударная твердость основана на способе воздействия под пружинным бойком. Прочность и твердость являются обязательными сертифицируемыми характеристиками почти всех конструкционных материалов. Эти данные содержатся во всех сопроводительных документах. Деятельность по определению качества, а также сертификация и экспертиза использует эти данные на предмет соответствия требованиям нормативно-технологической документации. Пластичность – Способность веществ и материалов деформироваться под воздействием внешних и внутренних сил без разрушения. Пластичность бывает: упругой – когда деформированное тело после ликвидации воздействия сил возвращается к исходным формам и размерам. неупругой –характеризующая более мягкие, вязкие материалы (глину)
|
|
|
d =(lк-l0)/lo*100% l-длина
Структурно-механические свойства (СМС) проявляются при подводе механической энергии к обрабатываемому продукту и характеризуют его сопротивляемость приложенным извне механическим воздействиям. Эта группа физических свойств дает наиболее полное представление о некоторых существенных аспектах качества продукции. CMC часто предопределяет поведение продуктов в самых разнообразных процессах и энергетических полях, являются внешним выражением внутренней сущности объектов, т.е. характеризуют агрегатное состояние, дисперсность, строение структруры и вид взаимодействия внутри продукта.
Изучение, исследование факторов, определяющих качество готовой продукции, является важной задачей товароведения и крайне необходимо для подготовки квалифицированных специалистов – товароведов-экспертов.
Качество товаров зависит от многих факторов:
– факторов, непосредственно влияющих на качество товаров;
– факторов, стимулирующих качество;
– факторов, способствующих сохранению качества товаров при доведении его от производителя до потребителя.
Все эти факторы либо взаимодействуют, либо действуют изолированно.
К факторам, формирующим качество товаров, относятся качество исходного сырья, материалов, комплектующих изделий, конструкция, качество технологических процессов.
От природы, состава и качества сырья во многом зависят свойства и качество готовой продукции. Знание природы, строения, свойств исходного сырья дает возможность предопределить свойства и особенности готовой продукции, расширить сырьевую базу для производства товаров за счет использования новых видов сырья, позволяющих получать изделия с более высокими потребительскими свойствами при меньших затратах труда, времени и материалов, а также расширять и обновлять ассортимент.
|
|
|
Изучая свойства и их показатели, необходимо уяснить их весомость и значимость при оценке качества готовых изделий с учетом назначения и условий службы этих изделий, а также терминологию, размерность, числовые значения и методику их определения и расчета.
Физические свойства имеют важное значение для оценки качества большинства товаров:
- масса материалов и изделий;
- механические свойства;
- термические свойства;
- оптические свойства;
- акустические свойства;
- электрические свойства;
- свойства, характеризующие водо-, газо- и воздухопроницаемость.
При характеристике и оценке качества материалов или изделий, из группы физических свойств важное значение имеют механические – способность различных материалов к различным воздействиям (сжимающим, растягивающим, изгибающим и др.) На материалы при механической обработке или изделия при эксплуатации действуют различные внешние силы-нагрузки. Нагрузки различают:
- по площади приложения (распределенные или сосредоточенные);
- по времени действия (периодические или постоянные). В свою очередь периодические нагрузки подразделяются на однократные и многократные (асимметричные или симметричные);
- по характеру воздействия (статические или динамические).
Прочность – одно из основных механических свойств. Как известно, под действием в материале возникают внутренние напряжения, значения которых являются мерой сил упругости материалов и численно равны отношению нагрузки к единице площади. Показателем, характеризующим прочность материала, является разрушающее напряжение (предел прочности) Прочность зависит от структуры и пористости материалов.
Материалы, имеющие линейное расположение частиц и меньшую пористость, более прочные – полимеры, и наоборот – силикаты.
|
|
|
Материалы под действием нагрузок претерпевают изменения – деформируются. Величина и характер деформации материалов зависят от соотношения внешних сил и сил упругости. Если внешние силы превосходят силы упругости, то связь между отдельными элементами ослабляется и материал разрушается.
Деформация общая складывается из двух деформаций – обратимой и необратимой (пластической)
Е общ = Е обр + Е пл
Обратимая деформация бывает упругой и эластичной. При упругой деформации исходные размеры тела восстанавливаются после снятия нагрузки мгновенно, со скоростью звука.
Эластическая деформация исчезает медленнее: она устанавливается в течение определенного времени и считается условно-упругой. Эластическая деформация характеризуется распрямлением длинных молекул, их размером и расположением в сырьевом материале.
Эластическая деформация чаще всего проявляется у высокомолекулярных органических материалов (ткани, кожа, каучук и др.), состоящих из молекул с большим числом звеньев, способных менять форму без значительного изменения расстояния между частицами. Величина этой деформации имеет значение для эксплуатации одежды, с ней связаны эксплуатационные показатели потребительских свойств тканей – сминаемость, распрямление. Ткани с высокой эластической деформацией характеризуются повышенной носкостью.
В каждом материале проявляются различные виды деформации – в одном случае больше проявляются упругие и эластические (резина), в другом – пластические (глина). Так, при удлинении волокна шерсти после снятия нагрузки наблюдаются все виды деформации, причем вначале только упругая, а затем эластическая.
Материалы, в которых проявляется в основном упругая деформация и малы другие виды деформации, называются упругими. Материал, который характеризуется малыми упругими деформациями, называется пластическим.
Показателем, характеризующим способность материала упруго сопротивляться нагрузке, служит модуль упругости – напряжение, возникающее в материале при удлинении его в 2 раза.
Модуль упругости характеризует жесткость материала: чем она больше, тем меньше деформация материала при одной и той же длине.
Показателями механических свойств являются также прочность на сжатие, на растяжение, изгиб, сдвиг, кручение и т.д. Деформация растяжения имеет большое значение при оценке качества многих материалов и изделий – тканей, одежды, обуви, строительных материалов и др.
|
|
|
При испытании на растяжение, помимо разрушающего напряжения (предела прочности), можно определить ряд других показателей, имеющих важное практическое значение: относительное и абсолютное удлинение и сужение; предел текучести; предел пропорциональности и др. Значения некоторых из них регламентируются ГОСТами. По этим показателям можно судить о режиме изготовления изделий и их поведении при эксплуатации – долговечности, надежности, ресурсе и др. Материалы с большим обратимым удлинением более долговечны.
Различные материалы неодинаково ведут себя при растяжении, что позволяет судить о специфике их свойств.
При большей длине образцов заметнее влияние неравномерности материала и его релаксационные особенности, поэтому показатели механических свойств могут искажаться.
Под релаксацией понимается снижение напряжения и деформации, связанное с переходом частиц в равновесное состояние. Так, пряжа, скрученная из отдельных волокон, стремится принять первоначальное состояние, напряжения, вызванные круткой, со временем уменьшаются. Скорость релаксации возрастает с увеличением температуры. Явление релаксации необходимо учитывать при технологической обработке материалов и изучении внутренних напряжений в изделиях. Желательно, чтобы процесс релаксации прошел до поступления товара в эксплуатацию, т.к. в процессе службы изделия возможна его деформация.
С явлением релаксации тесно связано явление гистерезиса или запаздывания, что учитывается при выборе материала для изготовления изделий.
У гигроскопичных материалов удлинение возрастает с увеличением их влажности. Влажность влияет и на ориентацию волокон материала, изменение взаимосвязи между ними, что вызывает увеличение или снижение прочности. Поэтому условия стандартных испытаний материалов и изделий должны быть обязательными и постоянными во всех случаях.
Деформация сдвига проявляется в местах соединения деталей, когда две равные силы действуют в противоположном направлении. Это явление учитывается при соединении (креплении) деталей различных конструкций, пошиве изделий из тканей, кожи и т. д.
Деформация кручения наблюдается в текстильных волокнах, при производстве пряжи, ниток, канатов, при ввинчивании винтов и т.п. Напряжение на поверхности стержня зависит от расстояния точки до центра и радиуса поперечного сечения образца. Если тело состоит из множества отдельных волокон, нитей или проволок (пряжа, тросы, канаты), то деформации при кручении имеют сложный характер.
Наибольшие напряжения при этом испытывают поверхностные слои материала и меньшие – внутренние.
Усталостная прочность имеет важное значение при выборе материалов для производства изделий, которые подвергаются многократным нагрузкам, а также при определении сроков службы тканей, одежды, обуви. Под действием этих нагрузок вначале увеличивается удлинение, постепенно снижается прочность, а затем материал разрушается. Нередко появляются трещины, проникающие в глубь изделия, и другие повреждения.
Показателем предела усталости является то напряжение, при котором материал выдерживает достаточно большое число циклов нагрузок без разрушения. При увеличении нагрузки разрушение материала наступает при меньшем числе циклов нагружения.
При оценке качества изделий из металлов, керамики, дерева, камня, пластмасс имеет значение твердость – способность материала сопротивляться проникновению в него другого, более твердого тела (местная прочность на вдавливание). Твердость зависит от природы и строения материала, геометрической формы, размеров и расположения атомов, а также от сил межмолекулярного сцепления. На твердость кристаллических тел оказывает влияние кристаллизационная вода, которая, ослабляя внутренние связи, способствует уменьшению твердости. От твердости зависит назначение изделий, поведение их в процессе службы и сохраняемость внешнего вида. Например, твердость определяет функциональные свойства инструментов для обработки металлов (напильников, стамесок, пил и др.). Показатель твердости этих изделий регламентируется ГОСТами, при отклонении его от нормы изделия теряют полезность.
Твердость глазури фарфора и фаянса обусловливает их санитарно-гигиенические свойства. От твердости в определенной степени зависит сопротивление материала истиранию, а также режим технологической обработки.
Твердость в зависимости от исходного сырья, определяется методом царапания, вдавливания, отскакивания бойка, затухания колебаний маятника, прокола стандартной иглой. Все они основаны на проникновении в испытуемый образец другого тела.
Метод царапания основан на использовании десяти минералов с соответствующей твердостью, которые в порядке возрастания объединены в минералогическую шкалу.
Таблица
| Наименование минерала | Единица твердости | Наименование минерала | Единица твердости |
| Тальк | 1 | Полевой шпат (ортоклаз) | 6 |
| Каменная соль или гипс | 2 | Кварц | 7 |
| Кальцит | 3 | Топаз | 8 |
| Плавиковый шпат | 4 | Корунд | 9 |
| Апатит | 5 | Алмаз | 10 |
Твердость испытуемого материала в пределах единицы оценивается как средняя между двумя порядковыми минералами.
Механические свойства и их показатели учитываются при характеристике и оценке качества материалов или изделий, которые подвергаются в процессе производства или эксплуатации сжимающим, растягивающим, изгибающим или другим воздействиям.
Изучение факторов, определяющих качество – основная задача товароведения. Специалист, разбирающийся в вопросах формирования качества, зависимости свойств сырьевых материалов и готовой продукции, может глубже понять особенности свойств товара, его положительные стороны и недостатки, обоснованно подойти к разработке требований к товару, формированию оптимального ассортимента и предъявлению претензий к производителю недоброкачественной продукции.
|
|
|
